Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 1/11 Bauteilverstärkungen mit textilbewehrtem Beton Abstract: Bauen im Bestand hat heutzutage eine enorme Bedeutung. Für bestehende Gebäude wird dabei eine Erhöhung der Lebensdauer im Sinne der Nachhaltigkeit und des Werterhalts angestrebt. Beton und der Verbundwerkstoff Stahlbeton sind häufig und vielseitig eingesetzte Baustoffe bei bestehenden Bauwerken. Ersetzt man den Stahl im Beton durch textile Flächengebilde aus Hochleistungsfasern, entsteht textilbewehrter Beton, ein neuer Verbundwerkstoff, der sich mittlerweile als äußerst sinnvolle Ergänzung herkömmlicher Baustoffe bewährt hat. Textilbeton bietet die Möglichkeit, sehr dünnwandige Bauteile zu planen, die in Kombination mit der Formbarkeit textiler Bewehrungen eine völlig neue Anwendung des Baustoffes Beton darstellen und die Planungsfreiheit von Architekten und Ingenieuren enorm erweitern. Außerdem können mit dünnen Textilbetonschichten die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Stahlbetonbauteilen deutlich erhöht werden. Der Beitrag zeigt das Potential von TUDALIT -Textilbeton als Verstärkungssystem. 1 Einleitung Die faszinierenden Geschichte und Entwicklung des Betonbaus der Neuzeit begann Mitte des 19. Jahrhunderts. Heute ist der vielseitige Beton der am häufigsten verwendete Baustoff, vgl. RAMM [1]. Die allgemeine Verfügbarkeit seiner Ausgangsstoffe, seine leichte Herstellung und Verarbeitung sowie seine Beständigkeit haben die weltweite Verbreitung ermöglicht und begünstigt. Die Kombination der Baustoffe Beton und Stahl, die sich hinsichtlich ihrer mechanischen und chemischen Eigenschaften hervorragend ergänzen, ermöglicht als Verbundwerkstoff Stahlbeton effiziente Tragsysteme. Die eingelegte Betonstahlbewehrung kompensiert dabei die geringe Zugtragfähigkeit des Betons. Ersetzt man diese Betonstahlbewehrung durch textile Bewehrungen aus endlosen Hochleistungsfasergarnen, entsteht der neue Verbundwerkstoff Textilbewehrter Beton. Der noch sehr junge Verbundwerkstoff, der seit 1999 in Sonderforschungsbereichen in Dresden und Aachen erforscht und weiterentwickelt wird, gilt als äußerst sinnvolle Ergänzung herkömmlicher Baustoffe. Technische Textilien entstehen durch die textiltechnische Verarbeitung von endlosen Hochleistungsfasern zu flächigen oder räumlichen Strukturen. Als Werkstoffe können je nach Anwendung verschiedene Chemiefasern, alkaliresistente Glasfasern oder Carbonfasern zum Einsatz kommen. Mehrere hundert bis tausend einzelne Fasern, so genannte Filamente mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern, werden zu einem Roving gebündelt und mit Hilfe von Textilmaschinen zu Gelegen verarbeitet. Für diese Strukturen wurde der Begriff der textilen Bewehrung geprägt. Textilbewehrter Beton ist also ein Verbundwerkstoff aus einer mineralischen Matrix, in die die textile Bewehrung eingebettet wird. Eigenschaften und Anwendung fassen CURBACH & JESSE beispielsweise in [2] detailliert zusammen. Im Vergleich zur Stabstahlbewehrung werden extrem feingliedrige Bewehrungselemente verwendet, wobei ein Verbundwerkstoff mit bemerkenswerten Eigenschaften entsteht: Es ist keine Betondeckung für Korrosionsschutz wie bei Stahlbeton erforderlich, da die verwendeten Bewehrungsmaterialien unter den üblichen Umgebungsbedingungen keine Korrosion zeigen. Dadurch werden sehr dünne Schichten möglich, Vorteilhaft für die Konstruktion von Bauelementen sind weiterhin kurze Verankerungslängen und die sehr feine Rissverteilung, weil über die im Vergleich zum Stabstahl vielfach größere Oberfläche sehr hohe Verbundkräfte übertragen werden können, Textile Bewehrungen aus AR-Glas bzw. Carbon haben mit über 1000 N/mm² eine deutlich höhere Festigkeit als üblicher Bewehrungsstahl.
Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 2/11 Bild 1: Textile Bewehrung und textilbewehrter Beton Aufgrund der korrosionsbeständigen textilen Bewehrung und der damit verbundenen geringen Betonüberdeckung ist die Realisierung sehr dünnwandiger Bauteile möglich, siehe Bild 1. Der ausgesprochen zukunftsträchtige Verbundwerkstoff Textilbeton mit seinen sehr guten statischen Eigenschaften ist hervorragend geeignet, Leichtbau mit Beton zu betreiben. Filigrane Elemente aus Textilbeton in Kombination mit der sehr guten Formbarkeit textiler Bewehrungen stellen eine völlig neue Anwendung des Baustoffes Beton dar und erweitern die Planungsfreiheit von Architekten und Ingenieuren. Daher sind kreative Formgebungen mit sehr vielfältiger Oberflächenstrukturierung und/oder Farbgebung umsetzbar. Das erste Bauwerk aus textilbewehrtem Beton, eine Fußgängerbrücke, über die CURBACH ET AL. [3] berichten, erhielt daher im Jahr 2006 den Special Encouragement Award der fédération internationale du béton (fib). Dünne Schichten aus textilbewehrtem Beton können aber auch die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Stahlbetonbauteilen im Bestand erhöhen. Textile Bewehrungen im Beton sind daher eine ausgezeichnete Alternative und Ergänzung zu den herkömmlichen Methoden zur Verstärkung von Stahlbeton. Textilbetonverstärkungen verbinden die Vorteile der leichten Klebeverstärkungen mit Kohlenstofffasern mit denen von Spritzbeton mit herkömmlicher Stahlbewehrung und erweitern die Möglichkeiten zur Bauwerkserhaltung enorm. Besonders vorteilhaft ist die nur unwesentliche Erhöhung des Eigengewichts, da die Verstärkungsschichten wegen der Korrosionsbeständigkeit der textilen Werkstoffe sehr dünn sein können. Aber auch die geometrische Anpassungsfähigkeit, die flächige und gleichmäßige Kraftabtragung sowie dem Spritzbeton ähnliche Baustoff- und Verbundcharakteristik sind hervorzuheben. Die Verwendung von textilen Bewehrungen im Betonbau ist für das Bauwesen ein relativ junges Gebiet, das als sehr innovativ bezeichnet werden kann und ein großes Entwicklungspotenzial besitzt. Mit den textilen Strukturen wird der Anwendungsbereich des Betons für sehr filigrane Abmessungen erweitert. Textilbewehrter Beton bietet schon heute ein breites Spektrum von Anwendungen, entweder als Alternative zu herkömmlichen Baustoffen oder aufgrund seiner günstigen Eigenschaften für vollständig neue Anwendungsbereiche bei Fassaden-, Dach- und Balkonbauteilen, bei Lärmschutzwänden bis hin zur Stadtmöblierung oder im Behälter- und Rohrleitungsbau. Im Folgenden soll insbesondere das Potential als Verstärkungssystem für Stahlbetontragwerke näher vorgestellt werden.
Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 3/11 2 Bauen im Bestand Der Wert der in Deutschland vorhandenen Bausubstanz wird von CURBACH [4] je nach Statistik auf 10 bis 25 Billionen Euro geschätzt. Jedem Einwohner von Deutschland gehört damit der Gegenwert eines Einfamilienhauses in Höhe von 125.000 bis 312.500 Euro, veranschaulicht CURBACH diese Zahlen weiter. Legt man eine mittlere Lebenserwartung der Bauwerke von 100 Jahren zugrunde, müssten demnach allein in Deutschland jährlich bis zu 250 Milliarden Euro für die Ersatzbeschaffung neuer Bauwerke ausgegeben werden. Da diese Summe durch die tatsächlichen Investitionen bei weitem nicht erreicht wird, ist folglich eine deutliche Verlängerung der Nutzungsdauer der vorhandenen Bausubstanz erforderlich. Abgesehen vom ideellen und/oder historischen Wert ist ein Abriss und Neubau bestehender Bausubstanz mit gleich bleibender architektonischer Qualität im Regelfall wesentlich teurer als die Bauwerkserhaltung. Zudem werden beim Neubau erheblich mehr natürliche Ressourcen verbraucht. In Folge dessen ist eine entsprechende Pflege und Instandhaltung unerlässlich.gegenüber dem Neubau gewinnt das Bauen im Bestand daher mehr und mehr an Bedeutung. Neben der Anpassung an veränderte Nutzungen zeigen bestehende Bauwerke meist auch Alterungs- und Abnutzungserscheinungen. Sehr oft sind daraus auch schon erhebliche Schäden an der Bausubstanz entstanden. Aber auch Schäden durch Schwächen des Entwurfs, unzulängliche konstruktive Durchbildung, unzureichende Kenntnis der Baustoffe oder unzutreffende Berechnungsannahmen, verursacht durch unsachgemäße Planung oder unzureichende Festlegungen in den Vorschriften der Errichtungszeit, Pfusch am Bau das heisst Fehler während der Planung und der Bauausführung oder deren unsachgemäße Umsetzung sowie unplanmäßige Beanspruchung des Bauwerks infolge dessen Nutzung (z. B. Verkehrslasterhöhung), Betriebs (mangelnde Wartung, chemische und/oder thermische Angriffe, etc.) und infolge von Umwelteinflüssen erfordern oft Maßnahmen zur Instandsetzung und Verstärkung einer Baukonstruktion. Änderungen des statischen Systems oder gar ein Austausch unzureichend tragfähiger Konstruktionselemente eines Bauwerks sind meist nur mit erheblichem Aufwand möglich. Zur Ertüchtigung und Verstärkung von Stahlbetonkonstruktionen können bereits etablierte Verfahren, wie die Anwendung von Spritzbeton mit Bewehrung oder auch geklebte Bewehrungen aus Stahl oder Faserverbundkunststoffen angewendet werden, vgl. HANKERS [5]. Bei der Wahl der geeignetsten Verstärkungsmaßnahme spielen konstruktive, bautechnologische und wirtschaftliche Belange des konkreten Objektes eine wesentliche Rolle. Jedes Verfahren birgt dabei verschiedene Vor- und Nachteile sowie Ausschlusskriterien, die durch einen erfahrenen Planer je nach Situation abgewogen werden müssen. Unter Beachtung bautechnischer und wirtschaftlicher Aspekte wird so die jeweils optimale Verstärkungstechnik für ein konkretes Bauobjekt ausgewählt. Textile Bewehrungen stellen eine hervorragende Alternative und Ergänzung zu den bisher verwendeten Verstärkungs- und Instandsetzungsmethoden dar und erweitern die Möglichkeiten enorm. Wie eine Textilbetonverstärkung hergestellt werden kann, wird im nächsten Abschnitt erläutert.
Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 4/11 Bild 2: Verbundwerkstoff aus stahlbewehrtem Beton und textilbewehrtem Feinbeton 3 Verstärkung von Stahlbeton mit textilbewehrtem Beton Das Verstärken von Stahlbetontragwerken ist eine seit Jahrzehnten bekannte und unter steter Verbesserung der Verfahren angewandte Maßnahme. Sie kann örtlich begrenzt sein oder das ganze Bauteil erfassen. Das Prinzip einer Textilbetonverstärkung zeigt Bild 2. Ähnlich einer Spritzbetonverstärkung wird auf die Oberfläche eines bestehenden Stahlbetonbauteils eine Verstärkungsschicht aus textilbewehrtem Beton aufgebracht, die aus einer feinkörnigen mineralischen Matrix - dem sogenannten Feinbeton - und feingliedrigen Bewehrungselementen - Textilien aus AR-Glas bzw. Carbonfasern oder anderen Hochleistungsgarnen - besteht. Die geringe Zugtragfähigkeit des Feinbetons wird ähnlich wie bei Stahlbeton durch die Textilien kompensiert, die als Bewehrung die bei der Rissbildung frei werdenden Kräfte übernehmen. Die textilbewehrte Feinbetonverstärkung wird dabei lagenweise auf die zuvor durch Sandstrahlen aufgerauhte Oberfläche eines alten Stahlbetonbauteils aufgebracht, vgl. Bild 3. Die Oberfläche des Altbeton muss rauh genug sein, um eine ausreichende Haftung zwischen dem vorliegenden Betonteil und der Verstärkungslage zu gewährleisten. Durch Kellenauftrag oder im Sprühverfahren werden abwechselnd Feinbeton und Textil in mehreren Lagen auf die aufgerauhte Altbetonoberfläche aufgebracht. Durch Verstärken von Stahlbeton (Altbeton) mit textilbewehrtem Feinbeton entsteht ein äußerst komplexer Verbundwerkstoff. Das Tragverhalten von Konstruktionen aus diesem Verbundwerkstoff wird von den Eigenschaften des stahlbewehrten Betons, des textilbewehrten Feinbetons und des Verbundes zwischen beiden bestimmt, vgl. WEILAND [6]. Der Einsatz einer Textilbetonverstärkung vereinigt die Vorteile von Klebeverstärkungssystemen mit den Vorzügen von Spritzbeton mit Stahlbewehrung. Nachteile wie ein hohes Eigengewicht bei Spritzbetonverstärkungen oder mangelde Brandbeständigkeit, Feuchteempfindlichkeit und hohe Ausführungskosten von Klebeverstärkungen werden kompensiert. Bild 3: Aufbau der Verstärkungsschicht
Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 5/11 Bild 4: Möglichkeiten der Verstärkung von Stahlbeton mit textilbewehrtem Beton Durch die Korrosionsbeständigkeit der textilen Bewehrungsmaterialien können die Verstärkungsschichten sehr dünn sein. Das Eigengewicht des Altbauteiles wird damit nur unwesentlich erhöht. Textile Bewehrungen sind leicht formbar und passen sich jeder Geometrie an. Das ermöglicht auch Verstärkungen an profilierten Querschnitten, Stützen oder schalenförmigen Bauteilen und bietet dort entscheidende Vorteile. Es kann auf einfache und erprobte Applikationsverfahren zurückgegriffen werden, da es sich letztendlich um mehrlagiges Auftragen einer feinkörnigen Matrix handelt, die ähnliche Verarbeitungseigenschaften wie ein moderner Putz hat, und einer darin eingebetteten Bewehrung, die ähnlich handelsüblichen Putzgeweben verarbeitet werden kann, handelt. Ein weiterer Vorteil gegenüber lamellenförmigen Verstärkungsmethoden ist die flächige Krafteinleitung, wodurch die Neigung zum Delaminationsversagen vermindert wird. Neben der Erhöhung der Tragfähigkeit können auch weitergehende Instandsetzungsaufgaben, wie Herstellung einer neuen oder zusätzlichen dichten Betondeckung, Variierung der Oberflächengestaltung der Verstärkungsschicht, Versteifung der Bauteile oder Beeinflussung der Rissbildung (mehr Risse in kleinerem Abstand bei geringerer Rissbreite) gelöst werden. Zur Verstärkung ist Textilbeton dann prädestiniert, wenn eine möglichst flächige Zugzonenergänzung mit Bewehrung zur Erhöhung der Tragfähigkeit führt, siehe Bild 4. Der Verstärkungsgrad kann dabei durch Variation des Bewehrungsgehalts über Lagenanzahl und Faserquerschnittsfläche pro Lage gewählt werden. Die Wirksamkeit der Textilbetonverstärkungen von Platten bei vorwiegender Biegebeanspruchung, von Balken bei vorherrschender Schub- und/oder Biegebeanspruchung, für Torsionsbeanspruchung und Stützen konnte mit den experimentellen Untersuchungen des Sonderforschungsbereiches 528 an der Technischen Universität Dresden eindrucksvoll gezeigt werden. Zum derzeitigen Wissenstand geben JESSE und CURBACH in [7] einen sehr guten Überblick.
Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 6/11 4 Biegeverstärkung von Stahlbetonlatten Das Tragverhalten von textilbetonverstärkten Stahlbetonbauteilen soll exemplarisch für biegeverstärkte Platten, deren Versuchsergebnisse Bild 5 zeigt, erläutert werden. Die Ergebnisse wurden in Vierpunkt-Biegeversuchen an 10 cm dicken und 1,80 m langen Stahlbetonplatten mit einem Stahlbewehrungsgrad von 0,34% erzielt, vgl. WEILAND [6]. Der unverstärkte, nur mit Betonstahl bewehrte, Referenzprobekörper PL-0/MW wird Probekörpern gegenübergestellt, die zusätzlich mit verschiedenen Bewehrungstextilien im Feinbeton verstärkt wurden. Die Ergebnisse sind in einem Kraft-Verformungs-Diagramm dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist die Mittendurchbiegung w der Platte abgebildet, auf der vertikalen hingegen jeweils die Kraft P, die eine bestimmte Durchbiegung hervorgerufen hat. Im Kraft-Verformungs-Diagramm zeigen alle Platten das für Stahlbeton typische Tragverhalten mit Zustand I (ungerissen), Zustand II (Rissbildung und abgeschlossenes Rissbild) und Zustand III (Fließen des Bewehrungsstahls). Erwartungsgemäß ist die Steifig-keit der verstärkten Platten im ungerissenen Zustand größer als die der unverstärkten Platten. Das bedeutet, dass sich die Platten mit einer textilen Verstärkungsschicht bei gleicher Last weniger durchbiegen als die Referenzplatte und somit z. B. auch kleinere Risse entstehen. Ursache ist das durch die zusätzlich aufgebrachte Verstärkungsschicht aus Feinbeton größere Trägheitsmoment. Im Zustand II tragen Stahl- und Textilbewehrungen gemeinsam. Durch die Summe der Dehnsteifigkeiten mit der jeweiligen Mitwirkung des Betons zwischen den Rissen ist der Traglastanstieg im Verhältnis der aufgebrachten Verstärkungsschicht größer als im unver-stärkten Zustand. Nach Überschreiten der Streckgrenze des Bewehrungsstahles im Zustand III wird die weitere Laststeigerung und höhere Steifigkeit gegenüber der unverstärkten Platte im Wesentlichen durch die Tragwirkung der textilen Bewehrung verursacht. Anstatt des Fließplateaus für den Bewehrungsstahl ist die Dehnsteifigkeit der textilen Bewehrung bis zum Versagen erkennbar. Je mehr textile Bewehrung als Verstärkung aufgebracht wurde, umso größer ist der Anstieg. Bild 5: Traglasterhöhung durch Biegeverstärkung mit Textilbeton
Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 7/11 Bereits mit unbeschichteten Textilien aus AR-Glas-Multifilamentgarnen, wie sie in der Anfangszeit der Erforschung des Baustoffes Textilbeton verwendet wurden, konnte mit den Versuchen PL-3/MW und PL-6/MW eine Erhöhung der Tragfähigkeit im Gebrauchs- und Bruchzustand gezeigt werden. Die Forschungsarbeiten und Weiterentwicklung der textilen Bewehrungen im Rahmen des SFB 528 haben zu einer bemerkenswerten Verbesserung des Tragverhaltens der textilen Gelege geführt. Vor allem durch eine geeignete Beschichtung des Textils konnte das Eigenschaftsprofil wie Handling, Verarbeitbarkeit, innere und äußere Verbundeigenschaften sowie insbesondere die Festigkeit deutlich verbessert werden, siehe u.a. KÖCKRITZ [8]. Die größere Duktilität und Festigkeitssteigerung der weiterentwickelten Textilien mit einer zusätzlich aufgebrachten Imprägnierung zeigt auch bei der Verstärkung die gewünschte Tragfähigkeitserhöhung. Neben einer besseren Verarbeitbarkeit sind vor allem die deutlichen Bruchlaststeigerungen der Versuchsplatte PLB-3/T gegenüber PL-3/MW mit ansonsten gleicher textiler Bewehrungsfläche und -struktur zu erwähnen. Gegenüber der Verwendung von alkaliresistentem Glas (AR-Glas) sind Textilien aus Carbonfasern äußerst vorteilhaft. Mit nur der Hälfte der Textilfaserfläche konnte im Versuch PLC-3/T eine vergleichbare Tragfähigkeit wie mit dem imprägnierten AR-Glasfasertextil PLB- 3/T erreicht werden. Neben der Verwendung von 12k-Carbonfasern konnten in einer Auftragsstudie zudem Erfahrungen mit 50k-Carbonfasern gesammelt und den bereits vorhandenen Versuchsergebnissen der 12k-Referenz-Carbonfasern gegenübergestellt werden. Aus den Heavy-Tow-Carbonfasern wurde auf der speziell für textile Betonbewehrungen entwickelten Nähwirkmaschine das Textil NWM3-001-08-b1 hergestellt. Es wurden gleiche geometrische Parameter wie für das 12k-Referenztextil NWM3-049-06-p2 gewählt, vergleiche Tabelle 1. Obwohl das Heavy-Tow-Carbontextil im Vergleich zum Referenztextil in keinerlei Hinsicht optimiert wurde, zeigten die damit verstärkten Platten PL-SGL/1 und PL-SGL/2 überaus positive Trageigenschaften. Bereits mit einer Lage konnte im Versuch PL-SGL/1 mit etwa 107 kn mehr als die dreifache Tragfähigkeit gegenüber der unverstärkten Stahlbetonplatte erreicht werden. Mit zwei Lagen erreichte der Versuch PL-SGL/2 sogar nahezu einen vierfachen Verstärkungsgrad, wobei die Zugtragfähigkeit der Biegezugzone das heißt die Tragfähigkeit des Textils bei diesem Versuch nicht ausgenutzt werden konnte. Bei 133 kn war die Querkrafttragfähigkeit der Stahlbetonplatte erreicht worden, was sich an einem deutlich Schubriss gezeigt hat. Der Versuch ist in Bild 5 nicht dargestellt, da dort nur reines Biegezugversagen verglichen wird. Tabelle 1: Textile Strukturen aus Carbonfasern im Vergleich SGL 50k TohoTenax 12k Bezeichnung NMW3-001-08-b1 NMW3-049-06-p2 Kettfaden, Feinheit [-, tex] Carbon, 3500 Carbon, 800 Schussfaden, Feinheit [-, tex] Carbon, 3500 Carbon, 800 Abstände Kette/Schuss [mm] 10,8/18,0 10,8/18,0 Bindung/ Stichlänge [-, mm] Trikot gegenlegig/2,0 Trikot gegenlegig/3,5 Flächengewicht [g/m²] 609 149 wirksamer Flächenanteil [-] 0,41 0,70
Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 8/11 Im direkten Vergleich mit dem 12k-Referenztextil NWM3-049-06-p2 zeigt sich das wirtschaftliche Potential der Verstärkung mit Carbontextilien aus Heavy Tows, auch wenn die außerordentlich hohen Festigkeiten im Verbundwerkstoff bei kleinen Textilfeinheiten - bis zu 2.200N/mm² bei einem Textil mit 12k-Roving mit 800 tex - noch nicht erreicht werden. Durch die sehr große Faserquerschnittsfläche A t pro Lage gelingt es gleiche oder sogar eine größere Verstärkungswirkung mit minimaler Anzahl textiler Bewehrungslagen zu erreichen. Beispielsweise wird ein Zielverstärkungsgrad von η B,exp =2 bei den Plattenversuchen mit sechs Lagen unbeschichteten AR-Glas-Textils PL-6/MW (A t = 283mm²) oder mit drei bis vier Lagen 12k-Carbontextils PLC-3/SW (A t = 74mm²) erfüllt. Mit nur einer Lage SGL-Carbontextil PL- SGL/1 (A t = 107mm²) wird der erforderliche Verstärkungsgrad sogar deutlich übererfüllt, der Arbeitsaufwand gegenüber den anderen Textilvarianten gleichzeitig aber extrem minimiert. Neben der Steigerung der Tragfähigkeit bei dem Bestandsbauteil werden insbesondere die Eigenschaften im Gebrauchszustand durch die textile Bewehrung positiv beeinflusst. Bezogen auf das Gebrauchslastniveau treten deutlich geringere Verformungen auf, die mit dem fein verteilten Rissbild des Feinbetons zu begründen sind. Zusätzlich können auch weitergehende Instandsetzungsaufgaben gelöst werden: Reprofilierung, Repassivierung und Bereitstellung einer neuen oder zusätzlichen dichten Betondeckung durch Verwendung einer Matrix auf mineralischer Basis. Die Oberflächengestaltung der Verstärkungsschicht kann ähnlich den bekannten Gestaltungsmöglichkeiten handelsüblicher Putze variiert werden. Die Bauteile werden steifer. Dieser Effekt basiert nicht nur auf dem zusätzlich vorhandenen Material, sondern auch darauf, dass die Bauteile nachweislich länger im Zustand I (ungerissen) verbleiben. Textilbewehrte Verstärkungsschichten können die Rissbildung positiv beeinflussen. Es entstehen mehr Risse in kleinerem Abstand bei gleichzeitig geringerer Rissbreite. Darüber hinaus sind textile Bewehrungen sehr gut formbar. Das ermöglicht auch Verstärkungen an profilierten Querschnitten wie Balken oder Plattenbalken, an Stützen oder gar an schalenförmigen Bauteilen. Textile Bewehrungen besitzen die notwendige Verformbarkeit, sich diesen Geometrien anzupassen. Dabei können die Fasern in den verwendeten textilen Gelegen in Richtung der Beanspruchung orientiert werden, um die Tragfähigkeit der Fasern besonders effektiv ausnutzen zu können. Sogar für den Brandfall wurden in laufenden Forschungsprojekten, z.b. EHLIG ET AL. [9], bereits viel versprechende Ergebnisse für textilbetonverstärkte Bauteile erzielt. 5 Textilbetonverstärkungen in der Baupraxis Mit den exzellenten Ergebnissen der grundlagenorientierten Forschungen und interessierten Partnern der Bauindustrie konnten bereits zwei Textilbetonverstärkungen als Pilotprojekte ausgeführt werden. Die technisch und wirtschaftlich erfolgreichen praktischen Anwendungen zeigen die Einsatzmöglichkeiten. Erstmalig wurde im Oktober 2006 das Hyparschalentragwerk der FH Schweinfurt nachträglich mit textilbewehrtem Beton verstärkt, siehe Bild 6. Die Dachkonstruktion des Hörsaalgebäudes musste saniert werden, weil die Stahlbetonkonstruktion des nur acht Zentimeter dicken hyperbolischen Paraboloids Spannungsüberschreitungen in der oberen Stahlbewehrungslage in den auskragenden Bereichen der Hyparschale zeigte.
Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 9/11 Bild 6: Verstärkung des Hyparschalentragwerks der Fachhochschule in Schweinfurt Die herkömmlichen Verstärkungsverfahren erwiesen sich für diese Maßnahme als ungeeignet: geklebte Lamellen bewirken einen einaxialen Lastabtrag, und eine Spritzbetonverstärkung hätte durch das zusätzliche Gewicht eine zu hohe Belastung der Konstruktion zur Folge gehabt. Textilbewehrter Beton vereinigt die Vorteile einer flächigen Lastabtragung bei geringem Eigengewicht. Da textilbewehrter Beton noch kein genormter Konstruktionswerkstoff ist, wurde für den Einsatz der textilen Bewehrung eine Zustimmung im Einzelfall notwendig. Die textilbewehrte Feinbetonverstärkung wurde dabei lagenweise aufgebracht. Durch Auflaminieren wurden abwechselnd Feinbeton und drei Lagen textile Bewehrung aus 800 tex Carbonrovings aufgetragen. Die Gesamtdicke der Verstärkung beträgt nur fünfzehn Millimeter. CURBACH ET AL. berichten in [10] ausführlich. Genau zwei Jahre nach dieser erfolgreichen Erstanwendung wurde im Oktober 2008 in Zwickau erneut eine Textilbetonverstärkung ausgeführt (vgl. SCHLADITZ ET AL. [11] und Bild 7). Die ehemalige Ingenieurschule wurde für die zukünftige Nutzung durch das Finanzamt umgebaut und saniert. Die Dachkonstruktion in Form einer Tonne auf dem Westflügel des Gebäudes war 1903 aus Stahlbeton hergestellt worden. Da die Tragfähigkeit dieser Konstruktion nach statischen Untersuchungen mit heutigen Normen nicht nachgewiesen werden konnte, war eine Verstärkung erforderlich. Die bisher üblichen Verstärkungsverfahren Aufbringen von Spritzbeton mit Stahlbewehrung oder Aufkleben von CFK-Lamellen konnten aufgrund der Bauwerksgeometrie und der Forderungen des Denkmalschutzes nicht angewendet werden. Man entschied sich daher für die Ausführung der Verstärkung mit Textilbeton. Wie schon bei der Schweinfurter Baumaßnahme wurde die Genehmigung problemlos und schnell erteilt. Die Arbeiten begannen im Oktober 2008 und dauerten circa vier Wochen.
Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 10/11 Bild 7: Verstärkung eines Tonnendaches aus Stahlbeton in Zwickau 6 Zusammenfassung und Ausblick Die hier dargelegten Ergebnisse zeigen, dass textilbewehrter Beton zur Verstärkung von Stahlbetonbauteilen neben den klassischen und etablierten Verfahren eine äußerst interessante Alternative ist, die die Vorteile der leichten Kohlenstofffaserklebeverstärkungen mit denen von Spritzbeton mit Bewehrung verbindet. Mit dem mineralische Verbundsystem zeichnet sich das Verfahren durch seine weitestgehend witterungsunabhängige und zeitsparende Bauausführung aus in der praktischen Anwendung aus und ist damit auch unter wirtschaftlicher Betrachtung eine hervorragende Innovation, die sich auf dem Sektor der Bauwerksverstärkung behaupten wird. Insgesamt sind die Ergebnisse der Grundlagenforschung und Pilotprojekte ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur baupraktischen Anwendung von Textilbetonverstärkungen und sollten bereits zum umsichtigen Einsatz unter Beachtung der Sicherheitsaspekte ermutigen. Noch offene Fragen und notwendiger Klärungsbedarf sollten die Wissbegier anregen und mit weitere experimentellen und theoretischen Untersuchungen geklärt werden. Vor allem das Fehlen bauaufsichtlicher Regelungen und zugelassener Bauprodukte sind derzeit die größten Anwendungshemmnisse für Textilbetonverstärkungen. Dazu gehören Festlegungen bzgl. der als Bewehrung zu nutzenden Textilien, des verwendeten Betons, Bemessungsregeln sowie klare Ausführungsbestimmungen. Mit dem Anfang 2009 gegründeten Markenverband TUDALIT wird parallel zur Grundlagenforschung und auch nach Auslaufen der öffentlich, maßgeblich durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanzierten Forschung die Weiterentwicklung von Textilbeton zur Verstärkung und Instandsetzung gefördert. Der TUDALIT-Markenverband strebt derzeit eine Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für ein Verfahren zur Verstärkung von Stahlbeton mit TUDALIT (Textilbewehrter Beton) als wesentlichen Schritt auf dem Weg zur baupraktischen Anwendung von Textilbetonverstärkungen an. Damit soll Planern und den ausführenden Firmen ein Regelwerk an die Hand gegeben werden, auf das sie sich berufen können. Verstärkungen mit TUDALIT sind dann ohne die jetzt noch erforderlichen Zustimmungen im Einzelfall machbar und daher vom Zeitund Kostenaufwand besser kalkulierbar.
Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft RPS am 31. März 2011 in Kaiserslautern 11/11 7 Literatur [1] RAMM, W.: Über die faszinierende Geschichte des Betonbaus vom Beginn bis zur Zeit nach dem 2. Weltkrieg. In: CURBACH, M. ET AL. (Hrsg.): Gebaute Visionen 100 Jahre Deutscher Ausschuss für Stahlbeton. Berlin, Wien, Zürich: Beuth-Verlag, 2007, S. 27-130 [2] CURBACH, M.; JESSE, F.: Eigenschaften und Anwendung von Textilbeton. In: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009) 1, S. 9-16 [3] Curbach, M.; Weiland, S.; Jesse, D.: Eine Segmentbrücke aus textilbewehrtem Beton für die Landesgartenschau 2006 in Oschatz. In: Tagungsband zum 16. Dresdner Brückenbausymposium, 13.3.2006. Institut Massivbau, TU Dresden 2006, S. 143-157 [4] CURBACH, M.: Vom Wert des Bauens. In: CURBACH, M. ET AL. (Hrsg.): Gebaute Visionen 100 Jahre Deutscher Ausschuss für Stahlbeton. Berlin, Wien, Zürich: Beuth- Verlag, 2007, S. 222-234 [5] HANKERS, CH.: Möglichkeiten zur Verstärkung von Stahlbetonbauteilen. In: Beton- und Stahlbetonbau 95 (2000) 9, S. 531 536 [6] WEILAND, S.: Interaktion von Betonstahl und textiler Bewehrung bei der Biegeverstärkung mit textilbewehrtem Beton. Dissertation, Fakultät Bauingenieurwesen der Technischen Universität Dresden, 2010, 207 S. urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-37944 [7] JESSE, F.; CURBACH, M.: Verstärken mit Textilbeton. In: BERGMEISTER, K.; FINGERLOOS, F.; WÖRNER, J.-D. (Hrsg.): Beton-Kalender 2010, Teil I. Berlin : Ernst & Sohn, 2009, S. 457-565 [8] KÖCKRITZ, U.: In-Situ Polymerbeschichtung zur Strukturstabilisierung offener nähgewirkter Gelege. Dissertation, Institut für Textil- und Bekleidungstechnik der Technischen Universität Dresden, 2007 [9] EHLIG, D.; JESSE, F.; CURBACH, M.: Stahlbetonplatten verstärkt mit Textilbeton unter Brandbelastung. In: Curbach, M. (Hrsg.), Jesse, F. (Hrsg.): Textilbeton - Theorie und Praxis. Tagungsband zum 4. Kolloquium zu textilbewehrten Tragwerken (CTRS4) und zur 1. Anwendertagung, Dresden, 3.-5.6.2009. SFB 528, Technische Universität Dresden, Dresden : Eigenverlag, 2009, S. 515-527 ISBN 978-3-86780-122-5 [10] CURBACH, M.; ORTLEPP, R.; WEILAND, S.; HAUPTENBUCHNER, B.: Textilbewehrter Beton zur Verstärkung eines Hyparschalentragwerks in Schweinfurt. Beton- und Stahlbetonbau 102 (2007) 6, S. 353-361 [11] SCHLADITZ, F.; LORENZ, E.; JESSE, F.; CURBACH, M.: Verstärkung einer denkmalgeschützten Tonnenschale mit Textilbeton. In: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009) 7, S. 432-437